电力载波通信系统在叶轮给煤机改造中的应用

燕秋华

某石化企业热电厂现有7台汽轮机组运行，总装机容量186MW，年耗煤量120万t。叶轮给煤机是热电厂输煤系统最前端的设备，通过设定额定转速将火车卸入煤沟的燃煤均匀地输送到输煤皮带上，再由皮带机输送到锅炉煤仓或存入储煤场，人工就地跟随控制。叶轮给煤机由行走和调速两部分组成，与主设备相配套的卸煤系统有2套，共配备4台就地叶轮给煤机，采用就地手动操作方式，通过动力滑线供电。行走部分电气控制装置采用常规继电器、机械开关等联接，行走电机为三相异步电机；调速部分电气控制装置采用传统的电磁滑差控制原理，由滑差控制器、调速开关等联接。调速电机是滑差电机，功率为18kW，正常调速范围300～1000r/min。启动叶轮给煤机时，首先要在低速下启动调速部分的主电机，待其运行正常后再调至正常转速，当调速部分工作正常后再操作行走部分，以避免机械部分被损坏。停止运行时则要先停止行走部分，然后再将转速调至最低并停止主电机的运行。同一条卸煤沟中（或同一条皮带）的2台叶轮给煤机同时运行时，为防止相撞现象发生，一般运行间隔应＞5m。

一、叶轮给煤机系统运行与变频器控制原理

1.叶轮给煤机运行原理

叶轮给煤机是一种主要用于火力发电厂缝式煤沟的拨煤机械，分桥式、门式和双侧3种形式，分别满足不同的工作需求。由机架、叶轮传动机构、行走机构、电气控制装置等主要部分组成，工艺流程是：上部为火车卸煤场的煤沟，桥式叶轮给煤机在中部之双轨上往返行走，叶轮将燃煤从煤沟下料槽口拨下，通过放射状叶轮的旋转和纵向轨道的移动，将煤沟平台上面的燃煤拨落到输煤皮带后，再输送到各段皮带或储煤场，叶轮拨煤机构采用变频无级调速实现给煤量的调节，达到连续、定量给煤的目的。

2.变频器控制原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。日常使用的变频器主要采用交—直—交的方式（VVVF变频或矢量控制变频），即先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率及电压均可控制的交流电源提供给电机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。PID控制是利用比例增益（P）、积分时间（I）、微分时间（D）调整变频器的响应特性，通过给煤机运行状态，调整到合适为止，设定为0，则PID控制不动作，积分（I）的上限值控制PID的积分演算值不会超过设定参数。PID的偏值调整是PID控制的偏值参数，指令与反馈都为0时，调整变频器的输出频率趋近于0，一次延迟时间参数用相对PID控制输出低通滤波时间设定，给煤机出现机械共振时，可增大设定值，使其远离共振频率的周期。PID输出的增益是调整PID输出的增益参数，反馈值的调整用增益是PID反馈值的微调整用增益。PID控制后的上限值固定在100%，即最高输出频率，反转禁止是指PID输出为负值时，以0为极限，不反转。

3.PLC控制原理

在火力发电厂，各个独立运行的系统和辅助车间工艺系统的启停顺序控制和联锁保护等自动化程度较高的电气自动化控制设备，已用PLC取代继电器控制，PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。当 PLC投入运行后，工作过程分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述工作。因此，PLC作为燃煤热电厂DCS的补充，使自动化程度大大提高。通过方框图建立PLC的梯形图，然后再编写相对应的指令程序。

二、叶轮给煤机使用中存在的问题及解决方案

1.存在问题

该厂使用的4台叶轮给煤机均为国内早期的产品，在设计方面存在如下问题：

（1）无法实现远程监控。作为取煤源头的叶轮给煤机，仅具备人工就地操作条件，不能纳入输煤程控系统工作流程的管理，集控人员无法监视其运行状态，更不能及时实施有效的远程调整，因此在运行中存在严重的安全隐患，经常发生大量积煤或设备损坏等问题。由于叶轮给煤机必须就地操作，员工必须在高粉尘、湿热等恶劣的环境下工作，身体健康无法得到保证，劳动强度较大。

（2）滑差电机故障率高。叶轮调速电机为滑差电机，其滑差离合器无法密封，极易因现场粉尘大、湿度高引起动静电机之间的堵塞，使内部线圈短路而发生电机故障，加之滑差电机控制器的性能不稳定，经常造成设备停运。此外，恶劣的运行环境使调速电路和电位器故障频发。

2.改造方案

针对上述存在的问题，曾与大连新德控制系统有限公司合作进行了一次大规模技术改造，调速设备全部采用SIEMENS的变频器、断路器、交流接触器，采用西门子的可编程逻辑控制模块（PLC-S7-200）进行逻辑控制，取代了原有的滑差调速装置和传统的继电器和逻辑控制方式，大大减少了现场控制盘内的元件，而且改造后的调速机构具有操作简便、运行稳定、调速平滑、故障率低、维护量小、节能效果显著等优点。但不足之处是只能就地控制，不能实现与程控设备的连锁控制，而且受环境因素的影响较大。经过多方考察与验证，决定引进电力载波通信技术，通过设备动力电源线进行载波信号传输，当主机发出控制命令后，主机部分的电力载波编码解码器，以FSK方式将主机的控制命令调制成电力载波信号，通过滤波器将此信号加载到电力线中的50Hz周波上。在就地控制站的动力电源端，通过滤波器及就地部分的编码解码器将电力载波信号解调成二进制串行通信码，传送到就地控制单片机中，叶轮给煤机就地控制站的运行状态信号反馈给主机的过程正好与上述过程相反。其特点是抗干扰及防尘能力强，而且发射器和接收器处于全封闭状态，内部屏蔽效果好，利用计算机组态及控制技术，运行人员在主控室的计算机上即可操作叶轮给煤机，改善了工作环境。

3.就地装置

（1）采用PLC技术解决复杂逻辑功能的硬线联接问题，完善叶轮给煤机行走和叶轮调速之间的保护联锁功能等，既优化了电气回路，又使装置的安全及可靠性大大提高。

（2）由于卸煤沟工作环境比较恶劣，如温湿度大和粉尘多等，对控制箱及箱内控制装置工作影响较大。因此，在改造时将其更换成具有防水、防磁等功能的控制箱。

（3）采用成熟的调频技术对调速部分进行改造，如用三相鼠笼电机及变频器取代原有的滑差电机及控制器等。因为三相鼠笼电机密闭性好，可抵御粉尘污染；变频器在对电机调速时较为平滑，而且具有完善的保护功能，可保证电机在正常情况下安全、可靠、稳定与节能运行，可使机械设备在故障状态下安全停运。

4.通信方式

叶轮给煤机运行于地下10m深处，电气负载比较复杂，运行环境十分恶劣，噪声、粉尘污染、高温潮湿及各种电气干扰（包括变频器信号等）因素大量存在。叶轮给煤机又属于移动设备（移动距离约为100m），必须安装移动电缆，但长距离、频繁地移动电缆无法保证信号的可靠传输。电力载波通信技术虽然是利用电源动力线进行数据传输的一种通信方式，但存在问题是：①线路中负荷电流大幅度变化时，会对传输的载波信号波形形成很强的削减和畸变作用；②各种负荷会带来高频噪声干扰，使数据信号无法正常传输；③不同节点会对数据信号产生影响，使接收到的信号严重变形或参差不齐，给信号识别带来极大困难等。经过技术分析，决定将控制技术与电力载波通信技术相结合，使电力载波通信成为融合宽带调制解调、数字滤波、AFC（自动频率控制）、AIC（自动输出幅度控制）、CsMA（网络载波侦听）等具有综合功能的智能化系统，采用循环冗余码差错校验法（CRC校验法）对数据进行校验。系统可根据波阻抗的变化及高次谐波情况，智能调整输出阻抗、输出功率，使电力载波通信的抗干扰性和对网络的适应能力得到增强。

根据以上分析，确定使用载波智能控制系统对卸煤沟甲乙路叶轮控制装置实施远程监控、PLC扩展、变频调速、仓位显示等技术改造。

三、改造后的系统应用效果

1.改造后的系统组成

该系统是由主控部分、电力载波通信部分、就地控制站等组成。主控部分设在集控室，由主机、显示器和智能数传机构成；就地控制站安装在设备本体上（即就地控制箱内），箱内装有叶轮给煤机的行走和调速控制设备；电力载波通信部分的两端分别在主机和就地控制站内。每台主机可带16台就地控制站。主机通过电力载波通信部分与就地控制站组成主从式通信控制网络，实现在主控室内，通过操作主机就能控制与监视叶轮给煤机的运行。

2.主要功能

（1）具有远程和就地操作功能，保留并优化了原有的操作功能。

（2）系统画面真实、丰富、生动，操作简单、方便。

（3）远程操作具有定点、前行、后行、启动、停止、调速等操作功能。

（4）集控室显示器可模拟显示叶轮给煤机的运行状态，如叶轮旋转、行走方向、皮带运行状态等，并可显示叶轮给煤机的实际转速。

（5）集控室显示器可显示叶轮给煤机的行走位置。位置传感部分包括随叶轮给煤机一起移动的2个接近开关、位置感应装置，用于完成行车位置信号的传感及校验功能。

（6）具有显示和记忆叶轮给煤机故障信息的功能，以方便查找各种故障，如行走故障、叶轮旋转故障、行走位置变送故障、通信故障、极限相撞等。

（7）同一画面可显示多台叶轮给煤机的运行情况，并进行操作。

（8）系统可根据值班员的设定确定自己的行走区间和往返次数，并自动调整叶轮给煤机的行走方向。

（9）系统除保留了原有的保护功能外，还增加了皮带运行与叶轮给煤机运行之间的联锁功能，以及同一皮带上2台叶轮给煤机的防撞功能等。

3.应用效果

（1）提高了设备运行的稳定性，降低了故障率，每年可节约大量的维护费用。

（2）实现了叶轮给煤机远程智能控制和现场无人值守功能，使运行人员脱离了高粉尘的工作环境，降低了矽肺病的发生率，极大保证了员工的身心健康。

（3）由于实现了远程控制，运行值班员能及时对叶轮给煤机实施干预控制，提高了工作效率，减少了由于联系不畅而对生产造成的不利影响。

（4）采用计算机控制技术，解决了叶轮给煤机不能参加输煤程序控制的技术难题，使输煤程序控制系统更加完善。

四、结束语

传统的接线方式由于控制线与动力线平行距离过长，耦合电压过大，使控制信号极易受到干扰，不能确保设备正常运行。电力载波智能系统的出现结束了多年来叶轮给煤机只能手动操作的历史，提高了输煤系统运行的安全性，同时也为叶轮给煤机纳入输煤程控系统打下坚实基础。在对燃料车间甲乙路4台叶轮给煤机进行改造后，经过一年多的运行实践表明，系统运行正常，性能达到设计要求，实现了叶轮给煤机远程程序控制的要求，能完整、准确地记录叶轮给煤机出现报警和故障时的情况，彻底解决了设备故障率高、能耗高以及粉尘大等老大难问题，实现了输煤系统的程控连锁，达到了节能、增效和降低劳动强度的目的。